DE3735783C1 - Use of a copper-zinc alloy - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung für Halbzeuge und Halbfabrikate, insbesondere Synchronringe.The invention relates to the use of a Copper-zinc alloy for semi-finished and semi-finished products, especially synchronizer rings.

Für Synchronringe in Kraftfahrzeuggetrieben sind ein hoher Reibwert und ein hoher Verschleißwiderstand als kennzeichnende Größen von besonderer Bedeutung. Ein hoher Reibwert ist für schnelles und präzises Schalten, das heißt den Schaltkomfort, ein hoher Verschleißwiderstand für die Standfestigkeit des Synchronringes wesentlich.For synchronizer rings in motor vehicle transmissions are a high coefficient of friction and wear resistance than characteristic sizes of particular importance. A high coefficient of friction is for fast and precise shifting, that means shifting comfort, high wear resistance for the stability of the synchronizer ring essential.

Aus dem Stand der Technik sind bereits eine Vielzahl von Kupfer-Zink-Legierungen für Synchronringe bekanntgeworden. Diese Legierungen sind jedoch zu einem großen Teil den immer mehr gestiegenen Anforderungen an die Getriebe und deren Synchronringe aufgrund erhöhter Leistung der Motoren nicht mehr gewachsen. Es war daher Aufgabe der Erfindung, eine Kupfer-Zink-Legierung vorzuschlagen, deren Reibwert gegenüber bisher bekannten Legierungen höher liegt, deren Verschleißbeständigkeit zumindest gleich oder höher als die der bisherigen Legierungen ist und welche billiger herzustellen ist als die bisher am nächsten kommenden Legierungen aus dem Stand der Technik. A large number are already from the prior art of copper-zinc alloys for synchronizer rings. However, these alloys are too big Part of the ever increasing demands on the Gearboxes and their synchronizer rings due to increased Engine performance no longer grew. It was therefore the object of the invention, a copper-zinc alloy to propose, whose coefficient of friction compared to previously known Alloys are higher, their wear resistance at least equal to or higher than that of the previous ones Alloys and which is cheaper to manufacture than the closest alloys so far from the state of the art.  

Diese Aufgabe wird durch die Verwendung einer Legierung gemäß Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by using an alloy according to claim 1 solved.

Alle Gehaltangaben in den Ansprüchen und in der Beschreibung sind Gewichtsprozente.All salary information in the claims and in the description are percentages by weight.

Für die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung ist von besonderer Bedeutung die Freiheit von Kobalt, der gegenüber vergleichbaren Legierungen sehr hohe Anteil an Nickel sowie die Freiheit von Mangan.Of particular importance for the alloy to be used according to the invention Meaning the freedom from cobalt, the opposite comparable alloys very high proportion of nickel as well as the freedom from manganese.

Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung ist ferner das Vorliegen einer intermetallischen Verbindung aus Nickel und Silizium, nämlich von Nickel- Siliziden, sowie eines Anteils an freiem Nickel. Diese Nickel-Silizide liegen in abgerundeter Form vor. Diese Nickel-Silizide haben eine geringere Härte als Mangan- oder Eisensilizide und verursachen trotz ihres guten Verschleißwiderstandes einen geringeren Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung der Synchronringe.An essential feature of the alloy to be used according to the invention is also the presence of an intermetallic compound made of nickel and silicon, namely of nickel Silicides and a proportion of free nickel. These Nickel silicides are available in a rounded form. These Nickel silicides are less hard than manganese or iron silicides and cause despite their good Less tool wear when processing the synchronizer rings.

Als vorteilhaft bei der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung ist ferner zu vermerken, daß Eisen nicht als Muß-Komponente vorgesehen ist. Ein geringer Eisenanteil ist jedoch zulässig.It is advantageous for the alloy to be used according to the invention further note that iron is not a must component is provided. However, there is a low iron content allowed.

Als Stand der Technik kommt dem Anmeldungsgegenstand am nächsten eine Legierung, wie sie in der DE-PS 28 30 459 besprochen ist. Die dort erläuterte Legierung hat eine Zusammensetzung von 45 bis 75% Kupfer, 2 bis 7% Aluminium, 0,1 bis 2% Eisen, 1 bis 5% Nickel, 0,5 bis 2% Silizium, 0,1 bis 2% Kobalt, Rest Zink. Eine tatsächlich nach diesem Patent hergestellte Legierung besitzt eine Zusammensetzung von 58,5% Kupfer, 31,5% Zink, 0,7% Eisen, 3% Nickel, 0,8% Silizium, 4% Aluminium und 1,5% Kobalt. Auch diese Legierung, welche für Synchronringe einsetzbar ist, gründet sich auf die Eigenschaften der Nickel-Silizide. Zusätzlich sind bei dieser bekannten Legierung jedoch auch Kobalt- Silizide vorhanden, die zu nestartiger Anhäufung neigen. Dadurch wird die Bearbeitbarkeit der Legierung beeinträchtigt.The subject of the application comes as state of the art closest to an alloy, as in DE-PS 28 30 459 is discussed. The alloy explained there has a composition of 45 to 75% copper,  2 to 7% aluminum, 0.1 to 2% iron, 1 to 5% nickel, 0.5 to 2% silicon, 0.1 to 2% cobalt, balance zinc. An alloy actually manufactured under this patent has a composition of 58.5% copper, 31.5% zinc, 0.7% iron, 3% nickel, 0.8% silicon, 4% aluminum and 1.5% cobalt. This alloy too, which can be used for synchronizer rings is based on the properties of nickel silicides. In addition However, cobalt Silicides present that tend to nest-like accumulation. This affects the machinability of the alloy.

Gegenüber dieser bekannten Legierung weist die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung einen geringfügig erhöhten Reibungsbeiwert bei etwa gleichem Verschleißwiderstand auf, der hervorstechende Unterschied besteht jedoch darin, daß sie kein Kobalt aufweist und daher um etwa 10% billiger herstellbar ist. Der erhöhte Nickelanteil macht diesen Vorteil nicht wett, da Nickel durch billige Neusilberschrotte preiswert zu erhalten ist. Die Freiheit von Kobalt macht die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung nicht nur billiger, sondern ermöglicht es wegen der fehlenden Neigung zur Bildung von Silizidnestern, sie einfacher zu gießen.Compared to this known alloy, the invention shows alloy to be used slightly increased coefficient of friction at about the same Wear resistance, the salient difference however, is that it no cobalt and therefore around 10% is cheaper to manufacture. The increased nickel content does not make up for this advantage because nickel is cheap German silver scrap can be obtained inexpensively. The freedom The alloy to be used according to the invention does not render cobalt only cheaper, but enables it because of the missing Tendency to form silicide nests, they easier to pour.

Gegenüber den am Markt befindlichen Standardlegierungen weist die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung eine Verbesserung des Reibungsbeiwertes von etwa 20% und eine Verbesserung des Verschleißwiderstandes von etwa 30% auf, ohne daß eine Verteuerung in der Herstellung auftritt. Compared to the standard alloys on the market the alloy to be used according to the invention has an improvement in Friction coefficient of about 20% and an improvement in Wear resistance of about 30% without a Increases in manufacturing costs occur.  

In der Zusammensetzung kommt der vorgeschlagenen Legierung ferner jene aus der DE-AS 12 05 285 nahe, bei welcher 58% Kupfer, bis zu 50% Zink, bis zu 11% Aluminium, bis zu 6,6% Mangan, bis 2% Silizium, bis 30% Nickel sowie bis 5% Eisen und 1% Blei zugelassen sind. Diese bekannte Legierung ist nicht für Synchronringe, sondern für Gleitlager und dergleichen vorgesehen, also bei solchen Anwendungen, wo es auf einen niedrigen Reibungsbeiwert ankommt. Aufgrund der festgelegten Mn/Si Verhältnismengen und der sich aus den in der Patentschrift angegebenen Beispielen ergebenden tatsächlichen Zusammensetzung ist aber ersichtlich, daß dort Nickel-Silizide nicht auftreten können, da das in geringem Umfange vorhandene Silizium alles durch Mangan abgebunden wird. Welche Eigenschaften die dort angegebene Legierung mit 12% Nickel hat, wurde nicht ausgeführt. Der Fachmann konnte aus der Beschreibung dieser bekannten Legierung somit keinen Hinweis auf die erfindungsgemäße Verwendung sowie darauf entnehmen, daß ein hoher Anteil an Nickel- Siliziden entscheidend für die geforderten Eigenschaften der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung sein soll.The proposed alloy comes in the composition also those from DE-AS 12 05 285 close, in which 58% copper, up to 50% zinc, up to 11% aluminum, up to 6.6% manganese, up to 2% silicon, up to 30% nickel and up to 5% iron and 1% lead are permitted. These well-known alloy is not for synchronizer rings, but provided for plain bearings and the like, so at such applications where there is a low coefficient of friction arrives. Due to the specified Mn / Si ratio and resulting from the in the patent given examples give actual composition but it can be seen that there are nickel silicides can not occur, because that is to a small extent existing silicon is all bound by manganese. What properties the alloy specified there with 12% nickel has not been exported. The expert could from the description of this known alloy thus no indication of the use according to the invention and that a high proportion of nickel Silicides are crucial for the required properties the alloy to be used according to the invention.

Aus der DE-OS 15 58 817 ist weiterhin eine Kupfer-Zink- Legierung für die Anwendung bei Synchronringen bekannt, bei welcher zwischen 0 und 45% Zink, 0,1 bis 12% Aluminium, 0,1 bis 14% Mangan, 0 bis 2,5% Silizium, 0,1 bis 6% Nickel, 0 bis 6% Eisen und 0 bis 3% Blei, Rest Kupfer vorgesehen sind. Bereits aus der Tatsache daß Silizium eine Wahlkomponente darstellt und in den aufgeführten Beispielen Silizium nur mit sehr geringen Anteilen vertreten ist, ist zu entnehmen, daß Silizide offensichtlich keinen wesentlichen Bestandteil darstellen. Bei Vorliegen von Silizium würden sich außerdem wegen des Vorhandenseins von Mangan vorwiegend Mangansilizide bilden. Dies ergibt sich aufgrund der größeren Bindungswirkung von Mangan mit Silizium gegenüber Nickel mit Silizium. Die bekannte Legierung kann daher keine Anregung für die Erfindung geben.From DE-OS 15 58 817 is still a copper-zinc Alloy known for use with synchronizer rings, in which between 0 and 45% zinc, 0.1 to 12% Aluminum, 0.1 to 14% manganese, 0 to 2.5% silicon, 0.1 to 6% nickel, 0 to 6% iron and 0 to 3% lead, Rest of copper are provided. Already from the fact that silicon is an optional component and in the examples given silicon with very little Is represented, it can be seen that Silicides obviously are not an essential ingredient represent. In the presence of silicon would also be mainly because of the presence of manganese Form manganese silicides. This is due to  the greater binding effect of manganese with silicon versus nickel with silicon. The well-known alloy can therefore give no suggestion for the invention.

Sehr ähnlich wie bei der vorgenannten bekannten Legierung sind die Verhältnisse bei der Legierung gemäß DE-PS 11 54 643. Auch dort ist eine Verwendung für Synchronringe angegeben, das Element Silizium ist auch hier nur Wahlkomponente oder liegt nur in geringen Beimengungen vor, so daß auch hier Silizide keine oder nur eine sehr untergeordnete Rolle für die Verschleißfestigkeit spielen. Beide bekannte Legierungen setzen im übrigen Mangan als Mußkomponente voraus.Very similar to the known alloy mentioned above are the conditions for the alloy according to DE-PS 11 54 643. There is also a use for synchronizer rings indicated, the element silicon is also here only optional component or is only in small admixtures before, so that here too no or only silicides a very subordinate role for wear resistance play. Both known alloys are used in other manganese as a must-have component.

Auch die DE-OS 29 19 478 bezieht sich auf die Verwendung bei Synchronringen und weist einen hohen Mangangehalt, einen mittleren Siliziumgehalt, hingegen einen äußerst geringen Nickelgehalt auf. Auch in diesem Falle können daher Nickelsilizide nicht auftreten, da alles Silizium durch das in hohem Überschuß vorliegende Mangan abgebunden wird.DE-OS 29 19 478 also relates to the use with synchronizer rings and has a high manganese content, an average silicon content, however one extremely low nickel content. In this case too therefore nickel silicides cannot occur because everything Silicon due to the large excess Manganese is set.

Gegenüber dem gesamten Stand der Technik ist als wesentliches Merkmal der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung der hohe Gehalt an Nickelsiliziden festzuhalten, welcher wenigstens 4%, vorzugsweise jedoch 6% betragen sollte. Außerdem ist ein Anteil an freiem Nickel für die guten Eigenschaften der Legierung wichtig. Andererseits wird dem Gehalt an freiem Nickel durch Ansteigen der Schmiedetemperatur nach oben eine Grenze gesetzt. Hinzu kommt, daß man wegen der hohen legierungsmäßigen Wirksamkeit des Nickels den Nickelanteil nach oben begrenzen muß, wenn man nicht das Gebiet der gut verarbeitbaren Messinglegierungen verlassen will. Compared to the entire state of the art as The essential feature of the alloy to be used according to the invention is the high content to stick to nickel silicides, which is at least 4%, however, it should preferably be 6%. Besides, is a share of free nickel for the good properties the alloy is important. On the other hand, the salary of free nickel by increasing the forging temperature set a limit upwards. In addition, because of the high alloying effectiveness of nickel limit the nickel content if you don't the area of easily workable brass alloys wants to leave.  

In den nachfolgenden Tabellen sollen Beispiele einer ausgeführten Legierung im Verhältnis zu Vergleichslegierungen sowie typische Kenngrößen angegeben werden.The following tables show examples of a executed alloy in relation to comparative alloys as well as typical parameters are given.

Tabelle 1 Table 1

Zusammensetzung der Versuchslegierung Composition of the test alloy

Tabelle 2 Table 2

Kenndaten der Legierungen von Tabelle 1 Characteristics of the alloys in Table 1

Die Legierung Nr. 1 bezieht sich auf eine auf dem Markt befindliche Legierung entsprechend der eingangs genannten DE-PS 28 30 459. Die Legierung 2 bezieht sich auf den gleichen Legierungstyp, jedoch mit einem Zusatz von 3% Mangan. Die Legierung Nr. 3 stellt eine Standardlegierung der Art CuZn 40 Al 2 dar mit einer Zusammensetzung von 58% Kupfer, 1,6% Aluminium, 2% Mangan, 0,6% Silizium, kein Nickel, 0,3% Eisen und 0,6% Blei, Rest Zink. Die Legierung 4 schließlich ist die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung in der bevorzugten Zusammensetzung.Alloy # 1 refers to one on the Alloy on the market in accordance with the beginning mentioned DE-PS 28 30 459. The alloy 2 relates the same type of alloy, but with a Add 3% manganese. Alloy # 3 represents is a standard alloy of the type CuZn 40 Al 2 a composition of 58% copper, 1.6% aluminum, 2% manganese, 0.6% silicon, no nickel, 0.3% iron and 0.6% lead, balance zinc. Alloy 4 finally is the alloy to be used according to the invention in the preferred one Composition.

Aus den obenstehenden Meßwerten ergibt sich, daß die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung die gleiche Härte aufweist wie Legierung Nr. 1, daß sie in ihrem Reibwert etwas höher liegt als die Legierung 1 und in ihren Verschleißwerten vergleichbar ist wie Legierung 1, jedoch weniger streut als diese. Man erkennt aus den obenstehenden Tabellen auch, daß die Legierung 2 in ihren Reibwerten nur geringfügig schlechter, in ihren Verschleißwerten hingegen deutlich besser ist als die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung. Gegenüber den in ihren Kenndaten sehr guten Legierungen 1 und 2 ist die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung im Reibwert besser, in den Verschleißwerten vergleichbar bzw. etwas schlechter, jedoch bei einer wesentlich geringeren Streubreite der Ergebnisse. Diese Ergebnisse werden mit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung jedoch aufgrund des Wegfalls des Elementes Kobalt und damit mit deutlich geringeren Herstellkosten erzielt.From the measurements above it follows that the Alloy to be used according to the invention has the same hardness like alloy number 1, that they have something in their coefficient of friction is higher than alloy 1 and in its wear values is comparable to alloy 1, but less so scatters than this. You can see from the above Tables also that the alloy 2 in their coefficients of friction only slightly worse in their wear values however, is significantly better than that to be used according to the invention Alloy. Compared to the very good in their characteristics Alloys 1 and 2 is the alloy to be used according to the invention better in friction, comparable in wear or a little worse, but with a much lower one Range of results. These results are due to the alloy to be used according to the invention the elimination of the element cobalt and thus with achieved significantly lower manufacturing costs.

Aus den beiden Tabellen ergibt sich auch, daß die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung gegenüber den am Markt befindlichen Standardlegierungen, von der ein typischer Vertreter die Legierung Nr. 3 ist, in jeder Hinsicht deutlich bessere Ergebnisse bei vergleichbaren Herstellkosten erzielt.The two tables also show that the invention Alloy to be used compared to those on the market Standard alloys, a typical of which  Alloy No. 3 is representative in all respects significantly better results at comparable manufacturing costs achieved.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung wurde mit nachfolgendem Verfahren hergestellt. Die Schmelze wurde bei einer Gießtemperatur von 1050 bis 1100°C im Strangguß gegossen. Anschließend wurden die erhaltenen Bolzen bei einer Temperatur von 600 bis 800°C, vorzugsweise 720°C warm verformt und anschließend in Luft abgekühlt. Nachfolgend wurden die Proben bei einer Temperatur zwischen 600 und 800°C, vorzugsweise bei 720°C geschmiedet und nachfolgend wieder an Luft abgekühlt. Schließlich erfolgte ein Auslagern der Proben bei einer Temperatur zwischen 200 und 300°C über einen Zeitraum von 5 bis 20 Stunden, wobei sich im Hinblick auf die erzielbare Härte eine Temperatur von 250°C über 10 Stunden als vorteilhaft erwiesen hat. Dabei wurde eine Härtesteigerung von 16 bis 17 HB für die erfindungsgemäße Legierung gegenüber dem schmiedeharten Stand erreicht. Bei dieser Temperatur betrug der α-Anteil 1%. Das Gefügebild zeigte runde gleichmäßig verteilte Silizide, daneben feine Ausscheidungen, die teilweise unzusammenhängend an den Korngrenzen angelagert sind.The alloy to be used in the present invention was produced by the following method. The melt was continuously cast at a casting temperature of 1050 to 1100 ° C. The bolts obtained were then thermoformed at a temperature of 600 to 800 ° C., preferably 720 ° C. and then cooled in air. The samples were subsequently forged at a temperature between 600 and 800 ° C., preferably at 720 ° C., and then cooled again in air. Finally, the samples were aged at a temperature between 200 and 300 ° C. for a period of 5 to 20 hours, a temperature of 250 ° C. over 10 hours having proven to be advantageous in view of the hardness that can be achieved. A hardness increase of 16 to 17 HB was achieved for the alloy according to the invention compared to the forging hard stand. At this temperature, the proportion of α was 1%. The microstructure showed round, evenly distributed silicides, as well as fine precipitates, some of which are attached to the grain boundaries in an unrelated manner.

Claims (4)

1. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung, bestehend aus 50 bis 65% Kupfer, 1 bis 6% Aluminium, 0,5 bis 5% Silizium, 5 bis 8% Nickel, sowie wahlweise 0 bis 1% Eisen, 0 bis 2% Blei und Zink als Rest mit unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei das Nickel überwiegend in intermetallischer Verbindung mit Silizium als Nickel-Silizide vorliegt, die in abgerundeter Form fein und gleichmäßig verteilt vorliegen, für Halbzeuge und Halbfabrikate, die neben guter Belastbarkeit und hohem Verschleißwiderstand einen gleichmäßig hohen Reibungsbeiwert besitzen, insbesondere für Synchronringe.1. Using a copper-zinc alloy made of 50 to 65% copper, 1 to 6% aluminum, 0.5 to 5% silicon, 5 to 8% nickel, and optionally 0 to 1% iron, 0 to 2% lead and zinc as the rest with inevitable impurities, the Nickel predominantly in an intermetallic compound with silicon as nickel silicides, which is in rounded Shape is fine and evenly distributed, for semi-finished and semi-finished products, which in addition to good resilience and high wear resistance have a consistently high coefficient of friction, in particular for synchronizer rings. 2. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 1, bestehend aus 55 bis 60% Kupfer, 3 bis 5% Aluminium, 1 bis 3% Silizium, 6 bis 7% Nickel, 0 bis 1% Eisen, 0 bis 1% Blei, Rest Zink, für den Zweck nach Anspruch 1.2. Use of a copper-zinc alloy according to claim 1, consisting of 55 to 60% copper, 3 to 5% aluminum, 1 to 3% silicon, 6 to 7% nickel, 0 to 1% iron, 0 to 1% lead, balance zinc for the purpose of claim 1. 3. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 2, bestehend aus 58% Kupfer, 4% Aluminium, 1,5% Silizium, 6% Nickel, 0,7% Eisen, Rest Zink, für den Zweck nach Anspruch 1. 3. Use a copper-zinc alloy after Claim 2 consisting of 58% copper, 4% aluminum, 1.5% silicon, 6% nickel, 0.7% iron, balance zinc, for the purpose of claim 1.   4. Verwendung einer Kupfer-Zink-Legierung nach Anspruch 2, bestehend aus 58% Kupfer, 4% Aluminium, 1,5% Silizium, 6% Nickel, Rest Zink, für den Zweck nach Anspruch 1.4. Use of a copper-zinc alloy according to claim 2, consisting of 58% copper, 4% aluminum, 1.5% silicon, 6% nickel, balance zinc, for the purpose of claim 1.